K_Kap11B: Files, Filesysteme Datenstrukturen

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Betriebssysteme
K_Kap11B: Files, Filesysteme
Datenstrukturen
Mühlbacher
BS: Files, Filesysteme: Datenstrukturen
1
Files als lineare Liste
 File
angeordnet als verkette Liste von
Blöcken
Jeder Block enthält Zeiger zum Nachfolger
Zeiger = Adresse des Blocks
 Directory
enthält Zeiger auf ersten Block
Allenfalls auch auf letzten Block
 Fazit:
Klassiche Implementierung einer Liste
Mühlbacher
2
FILE START
XX.Y
9
25
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
13
Mühlbacher
END
3
Einzelschritte
 create:
Neuen Eintrag im Directory eröffen
Zeiger auf NIL setzen
File-Anfangsgrösse: 0
 write
Finde eine freien Block auf Disk
» Dazu: Komponente des BS
Setze Zeiger dorthin
Schreibe in den bereitgestellten Block
Mühlbacher
4
File Allocation Table
(FAT)
FAT Konzept: Einfache und effiziente
Umsetzung von verketteten Listen
 Eingeführt bei MS-DOS
und (wegen Rückwärtskompatibilität)
in der Windows Familie und praktisch alles
anderen Betriebssystemen
 Idee: Ergänze das Directory um ein gesondertes Verzeichnis (FAT) für jede Partition

 Enthält die Nummern der zu einem File gehörigen
Cluster
 Zugriffsoptimierung: „cache FAT“ !
Mühlbacher
5
(FAT)
 FAT
entspricht verketteter Liste
 FAT
für jeden Cluster einen Eintrag
Frei: “0”
Letzter eines Files: “EOF” (z.B. FFF816)
Defekt: „BAD“(z.B. FFF716)
Ansonsten: Nummer des Folgecluster
Mühlbacher
6
FAT: Directory-Einträge
 Jeder
Directory Eintrag enthält
Clusternummer des Startcluster des
jeweiligen Files
 Außerdem Metadaten
Dateiname
Attribute wie read only, hidden, system-file
Zeitstempel
Dateigröße
Mühlbacher
7
(FAT)
FILE START
XX.txt
9
Directory
Eintrag
File Daten
25
9
...
E
O
F
.....
10
.....
Teil1 Teil3 . . . . .
8
FAT
Mühlbacher
27
9
10
..
Teil2
25
26
27
Allocation Units = Clusters
8
FAT Versionen
(Auszug)

FAT 12






„8.3“ Dateinamen
12-Bit Clusternummern -> 212 = 4096 Cluster
Clustergröße 512 bis 4096 Bytes
Partitionen bis 16 MB möglich
Typisch für 3,5 Zoll Disketten
FAT 16




Mühlbacher
„8.3“ Dateinamen
216 - 12 = 65524 Cluster (12 speziell reserv.)
Clustergröße 512 bis 32 KByte
Partitionen bis 2GB (Windows-NT bis 4GB)
9
FAT Versionen
(Auszug)

VFAT (Virtual File Allocation Table)
 Erweiterng von FAT 16
 Lange Dateinamen
 Unicode

FAT 32




32 Bit (28 verwendet; 218 Cluster), 268.435.456 Cluster
Clustergröße 512Bytes bis 32KB
Dateigröße max 4GB (-1 Byte)
Partitionsgröße bis ca 8TB (im Prinzip)
» Format unterstützt nur 32GB Dateisysteme
» Gesonderte Tools für größere erforderlich
 Rootverzeichnis kann variabel groß sein

exFAT für Flashspeicher
 Unter Windows CE 6.0 eingeführt
 VISTA unterstützt exFAT
Mühlbacher
10
Indizierte Anordnung:
Grundidee
 Anstatt
einer blockweisen Verkettung
werden alle Zeiger in einem Index
gehalten
Jeder File hat eigenen Index
Index selbst ist ein Block (Cluster) auf dem
Massenspeicher
 Zeiger
vom Directory zum Indexblock
 Der j-te Eintrag im Index-Block zeigt auf
den j-ten Block (Cluster) des Files
Mühlbacher
11
Speicherung mit Index
FILE
XX.Y
0
1
4
5
8
9
1
2
3
6
7
10
4
14
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
16
2
5
15
11
12
13
Mühlbacher
3
INDEX
15
12
Index
Spezielle Probleme
 Wird
ein File groß, enthält er viele Blöcke
Blöcke haben feste Größe
Auch der Indexblock selbst
 Großer
Indexblock:
» Platzverschwendung für kleine Files

Kleiner Block:
BS kann keine großen Files verwalten
Mühlbacher
13
UNIX
Verwendet “Inodes”

Jedem File ein spezieller Indexblock zugeordnet: Kombination
der Index-Idee
 Inode
»
»
Inodes als Liste angeordnet
Länge der Liste steht im „Superblock“
vgl.: Partition Boot Record PBR
 Enthält Metadaten
 Enthält Zeiger auf File-Blöcke
und Zeiger auf indirekte Blöcke
»
»
»
Mühlbacher
(typisch) 15 Zeiger in einem Inode
12 davon zeigen direkt auf Blöcke des Files,
Gut geeignet für kleine Files
die nächsten 3 Zeiger verweisen auf Indexblöcke (“Indirekte Blöcke”)
der erste auf einen “single indirect block”
der zweite auf einen “double indirect block”
der dritte auf einen “ triple indirect block”
14
UNIX/Linux
INODE
size, owner,
time/date, ...
1
12
direct 0
DATA
..
..
.
..
..
..
direct x
DATA
DATA
13
14
15
single
double
triple
reference
count
Mühlbacher
..
.
DATA
DATA
..
.
..
.
DATA
DATA
..
.
DATA
15
Verzeichnis
in UNIX/Linux
 Datei
mit festem Format
 Einträge:
Dateiname
Länge der Datei
Inode- Nummer (4 Bytes)
Zeiger auf nächsten Eintrag
Mühlbacher
16
Links
Reference counter
n File – Einträge (auch
aus verschiedenen
Directories) verweisen
auf den selben File
(link auf Inode)
\dir2\
file2.txt
Link
Link
….…………
size, owner,
time/date, ...
Erst wenn
referencecount =0
kann File wirklich
gelöscht werden
direct 0
DATA
..
..
.
..
..
..
direct x
DATA
\dir1\subdir1\
file1.txt
DATA
reference
count
single
..
.
double
DATA
triple
2
DATA
..
.
..
.
DATA
DATA
..
.
DATA
Mühlbacher
17
Globale Struktur
eines UNIX Filesystems
boot Super Inode Cluster
Sys Block Bitmap Bitmap

Inode
Tabelle
Cluster
Eingebettet in eine aktive Partition folgender logischer
Aufbau:






Mühlbacher
Bootblock: Startroutine des BS
Superblock: Allgemeine Verwaltungsinformation
Inode Bitmap: Benutzt/nicht benutzt
Cluster-Bitmap: Für jeden Block „frei“/“belegt“
Inode Tabelle: Alle Inodes
Cluster: Eigentliche Nutzdaten
» Dateien und Verzeichnisse
18
NTFS-Modell
MFT
 Verwaltung
der Disk (Volume) erfolgt
über eine relationale Datenbank:
Master File Table (MFT)
 MFT:
Zeilen von Eintragungen
Eine Zeile pro File oder Directory Eintrag
Für MFT selbst ist Zeile 0 vorgesehen
Die Spalten sind die Attribute des File
» Die (bisher gewohnten Daten) sind nur ein
spezielles Attribut
Größe je Eintrag: 2KB
Mühlbacher
19
MFT Struktur
allgemein
MFT
File x
Standard
information
File
name
Data
Security
descriptor
EAs = Extended
Attributes
Mühlbacher
20
Kleine und große
Files
MFT
smallFile
largerFile
smallFile
Das ist eine sehr kleine Datei!
Dateiname
Dateiinhalt
Dateiname
largerFile
Cluster
c1
c2
c3
c4
run 1
Mühlbacher
c5
…
(Verweis auf) Dateiinhalt
5
1
2
…
c7
(Runs)
c8
run 3
…
c6
run 2
21
NTFS-Modell
MFT
 File
kann mehrere Namen haben:
long Name, MS-DOS name
 MFT
enthält auch die Einträge für
directories
Demnach entspricht einem (sub-) directory
wieder eine Zeile im MFT
Mühlbacher
22
MFT Struktur
Eintrag für kleines
Directory
MFT
directory
Standard
information
Mühlbacher
File
name
Security
descriptor
index root
index of files
index
root
f1, f2, f3, ..........
other
23
Großes directory mit
Unterverzeichnis
MFT
Verzeichnis dir1
Datei file1
Verzeichnisname
Verzeichnis dir2
dir1
dir2, file1, file2
Index of files
file4
…
file9
file5, file6, file7
file10, file11, file12
Organisation als
B-Baum
Mühlbacher
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